生物氧化10本科班课件

第6章BiologicalOxidation物质在生物体内进行氧化称生物氧化(biologicaloxidation)，主要指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能生物氧化的概念生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物(CO2，H2O)和释放能量均相同。糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂酸+甘油氨基酸乙酰CoATAC2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2生物氧化的一般过程G甘油FAAA乙酰辅酶ACO22HADP+PiATPO2H2OCoASH三羧酸循环糖原脂肪蛋白质第一阶段第二阶段第三阶段物质代谢小分子合成为大分子合成代谢分解代谢大分子分解为小分子需要能量释放能量能量代谢

体内能量储存和利用都以ATP为中心一、高能化合物1概念：每mol水解释放出自由能大于21kJ的化合物称为高能化合物高能化合物低能化合物化合物水解释放出自由能约为9~16kJ/mol高能磷酸键高能磷酸化合物高能硫酯化合物高能硫酯键~P~S21）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等2）磷氮键型：如磷酸肌酸等3）硫酯键型：如脂酰CoA等4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。磷氧键型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物1,3-磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔磷氮键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸1结构：腺嘌呤、β－D－核糖、三个磷酸二、ATP2作用(1)提供物质代谢时需要的能量ATP+葡萄糖6-磷酸葡萄糖＋ADP己糖激酶(2)供给机体生命活动时需要的能量(3)生成核苷三磷酸和磷酸肌酸磷酸肌酸（C～P）贮存（主要在肌肉和脑组织中）。ATP+肌酸磷酸肌酸+ADP肌酸激酶（CK）意义：防止脑、肌肉组织中ATP的突然缺乏C～P中的～P不能直接利用肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。三、ATP生成方式1底物水平磷酸化

某些反应中，由于脱氢或脱水等作用，使代谢物分子内部能量重新分布而形成高能化合物，然后将高能键转移给ADP（或GDP）生成ATP（或GTP）的过程称为底物水平磷酸化

发生底物水平磷酸化反应的三个高能化合物1,3-二磷酸甘油酸

琥珀酸单酰CoA

磷酸烯醇式丙酮酸2氧化磷酸化

代谢物分子脱下的氢经过呼吸链的传递与氧结合生成水，在此传递过程中有能量的释放，并同时伴随有ADP磷酸化生成ATP，这种伴随氢的氧化产生ATP的偶联关系称为氧化磷酸化

氧化磷酸化将氧化呼吸链释能与ADP磷酸化生成ATP偶联氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)与脱氢反应偶联，生成底物分子的高能键，使ADP(GDP)磷酸化生成ATP(GTP)的过程。不经电子传递。ATP生成方式第二节

生成ATP的氧化磷酸化体系TheOxidativePhosphorylationSystemwithATPProducing指线粒体内膜中按一定顺序排列的一系列具有电子传递功能的酶复合体，可通过连锁的氧化还原将代谢物脱下的电子最终传递给氧生成水。这一系列酶和辅酶称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。一、呼吸链定义递氢体和电子传递体（2H2H++2e）组成呼吸链在线粒体内膜上排列着一系列的酶和辅酶所组成的递氢体和递电子体，能将从代谢物上脱下的成对氢原子（2H）最终传递给氧生成水，并释放出能量，该传递链称为呼吸链，也称为电子传递链线粒体纵切示意图3氧化磷酸化（概念同前）ATP合酶AH2A脱氢酶NADH+H+电子传递链2H（或FADH2）NAD+（或FAD）1/2O2H2O释放能量ADP+PiATP氧化磷酸化氧化磷酸化二、呼吸链的类型1NADH氧化呼吸链2FADH2氧化呼吸链（即琥珀酸氧化呼吸链）三、呼吸链的组成1

尼克酰胺核苷酸递氢体NAD+NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。2黄素蛋白类递氢体FMN/FADFMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN·。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、双电子传递体。

3铁硫蛋白（Fe-S）递电子体Fe2+Fe3+-e+e铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。

Ⓢ表示无机硫4泛醌（辅酶QCoQ）递氢体泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。

5细胞色素（Cyt）递电子体Fe2+Fe3+-e+e传递体作用

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）递氢体黄素蛋白（辅基为FAD和FMN）递氢体铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体辅酶Q递氢体细胞色素类单电子传递体FAD(Fe-S)NAD+FMN(Fe-S)

CoQbc1caa3O2琥珀酸四、呼吸链的排列酶复合体是线粒体内膜氧化呼吸链的天然存在形式，所含各组分具体完成电子传递过程。电子传递过程释放的能量驱动H+移出线粒体内膜，转变为跨内膜H+梯度的能量，再用于ATP的生物合成。

（一）氧化呼吸链由4种具有传递电子能力的复合体组成FAD(Fe-S)NAD+FMN(Fe-S)

CoQbc1caa3O2琥珀酸呼吸链的复合体复合体Ⅰ复合体Ⅲ复合体Ⅳ复合体Ⅱ人线粒体呼吸链复合体复合体酶名称质量(kD)多肽链数功能辅基含结合位点复合体ⅠNADH-泛醌还原酶85039FMN，Fe-SNADH（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶1404FAD，Fe-S琥珀酸（基质侧）CoQ（脂质核心）复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C还原酶25011血红素bL,bH,c1,Fe-SCytc（膜间隙侧）细胞色素c131血红素cCytc1，Cyta复合体Ⅳ细胞色素C氧化酶16213血红素a，a3，CuA,CuBCytc（膜间隙侧）泛醌不包含在上述四种复合体中。ⅣCytcox

NADH+H+NAD+1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧

线粒体内膜ⅠQH2Q

Ⅱ

延胡索酸琥珀酸QH2Q

4H+4H+Ⅲ4H+4H+CytcoxCytcredCytcred4H+4H+电子传递链各复合体在线粒体内膜中的位置复合体Ⅰ又称NADH-泛醌还原酶。复合体Ⅰ电子传递：NADH→FMN→Fe-S→CoQ→Fe-S→CoQ

每传递2个电子可将4个H+从内膜基质侧泵到胞浆侧，复合体Ⅰ有质子泵功能。1、复合体Ⅰ作用是将NADH+H+中的电子传递给泛醌(ubiquinone)NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+

NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN·。在可逆的氧化还原反应中显示3种分子状态，属于单、双电子传递体。

铁硫蛋白中辅基铁硫中心(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中一个铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。属于单电子传递体。

Ⓢ表示无机硫铁硫蛋白SS无机硫半胱氨酸硫泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。内膜中可移动电子载体，在各复合体间募集并穿梭传递还原当量和电子。在电子传递和质子移动的偶联中起着核心作用。

复合体Ⅰ的功能NADH+H+

NAD+

FMN

FMNH2还原型Fe-S

氧化型Fe-S

QQH2复合体Ⅱ是三羧酸循环中的琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-泛醌还原酶。电子传递：琥珀酸→FAD→几种Fe-S→CoQ复合体Ⅱ没有H+泵的功能。2、复合体Ⅱ功能是将电子从琥珀酸传递到泛醌。3、复合体Ⅲ功能是将电子从还原型泛醌传递给细胞色素c。复合体Ⅲ又叫泛醌-细胞色素C还原酶，细胞色素b-c1复合体，含有细胞色素b(b562,b566)、细胞色素c1和一种可移动的铁硫蛋白(Rieskeprotein)。泛醌从复合体Ⅰ、Ⅱ募集还原当量和电子并穿梭传递到复合体Ⅲ。电子传递过程：CoQH2→(CytbL→Cyt

bH)→Fe-S→Cytc1→Cytc细胞色素(cytochrome,Cyt)细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。复合体Ⅲ的电子传递通过“Q循环”实现。复合体Ⅲ每传递2个电子向内膜胞浆侧释放4个H+，复合体Ⅲ也有质子泵作用。Cytc是呼吸链唯一水溶性球状蛋白，不包含在复合体中。将获得的电子传递到复合体Ⅳ。复合体Ⅳ又称细胞色素C氧化酶(cytochromecoxidase)。电子传递：Cyt

c→CuA→Cyt

a→Cyta3–CuB→O2Cyta3–CuB形成活性双核中心，将电子传递给O2。每2个电子传递过程使2个H+跨内膜向胞浆侧转移。4、复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧复合体Ⅳ的电子传递过程细胞色素c氧化酶CuB-Cyta3中心使O2还原成水的过程，有强氧化性中间物始终和双核中心紧密结合，不会引起细胞损伤。FAD(Fe-S)NADHFMN(Fe-S)

CoQbc1caa3O2琥珀酸四、呼吸链的排列标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧（二）氧化呼吸链组分按氧化还原电位由低到高的顺序排列

由以下实验确定:标准氧化还原电位以E0’表示。E0’值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强；E0’值越大，接受电子的倾向越强。在生物体内氧化还原过程中，电子总是从E0’值较小的物质移向E0’值较大的物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受体）呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位氧化还原对E0‘(V)氧化还原对E0‘(V)NAD+/NADN+H+－0.32Cytc1Fe3+/Fe2+0.22FMN/FMNH2－0.219CytcFe3+/Fe2+0.254FAD/FADH2－0.219CytaFe3+/Fe2+0.29CytbL(bH)Fe3+/Fe2+0.05(0.10)Cyta3Fe3+/Fe2+0.35Q10/Q10H20.061/2O2/H2O0.816呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置1、NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O22、琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸→复合体Ⅱ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2NADH氧化呼吸链FADH2氧化呼吸链（一）氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内根据P/O比值自由能变化:⊿Gº'=-nF⊿Eº'氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值底物呼吸链的组成P/O比值可能生成的ATP数β-羟丁酸NAD+→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ2.52.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2琥珀酸复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ1.51.5→Cytc→复合体Ⅳ→O2抗坏血酸Cytc→复合体Ⅳ→O20.881细胞色素c(Fe2+)复合体Ⅳ→O20.61-0.6811、P/O比值指氧化磷酸化过程中，每消耗1/2摩尔O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧所生成ATP分子数）。2、自由能变化根据热力学公式，pH7.0时标准自由能变化(△G0′)与还原电位变化(△E0′)之间有以下关系：n为传递电子数；F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)△G0′=-nF△E0′电子传递链自由能变化

ATPATPATP氧化磷酸化偶联部位NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc1→CytcCytaa3O2FAD(Fe-S)NAD+FMN(Fe-S)

CoQbc1caa3O2琥珀酸五、ATP的生成部位～PADPATP～PADPATP～PADPATP3H+3H+TransportofATP,ADP,&Pi(二)氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度1、化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜；线粒体内膜对H+、OH－、K＋、Cl－离子是不通透的；电子传递链可驱动质子移出线粒体，形成可测定的跨内膜电化学梯度；增加线粒体内膜外侧酸性可导致ATP合成，而线粒体内膜加入使质子通过物质可减少内膜质子梯度，结果电子虽可以传递，但ATP生成减少。化学渗透假说已经得到广泛的实验支持。化学渗透假说线粒体基质线粒体膜++++----H+O2H2OH+e-ADP+PiATP化学渗透假说简单示意图ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATP4H+2H+4H+胞液侧

基质侧++++++++++---------电子传递过程复合体Ⅰ(4H+)、Ⅲ(4H+)和Ⅳ(2H+)有质子泵功能。

化学渗透示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响（三）质子顺梯度回流释放能量被ATP合酶利用催化ATP合成

F1：亲水部分（动物：α3β3γδε亚基复合体，OSCP、IF1亚基），线粒体内膜的基质侧颗粒状突起，催化ATP合成。

F0：疏水部分（ab2c9~12亚基，动物还有其他辅助亚基），镶嵌在线粒体内膜中，形成跨内膜质子通道。ATP合酶结构组成ATP合酶组成可旋转的发动机样结构F0的2个b亚基的一端锚定F1的α亚基，另一端通过δ和α3β3稳固结合，使a、b2和α3β3、δ亚基组成稳定的定子部分。部分γ和ε亚基共同形成穿过α3β3间中轴，γ还与1个β亚基疏松结合作用，下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合。c亚基环、γ和ε亚基组成转子部分。质子顺梯度向基质回流时，转子部分相对定子部分旋转，使ATP合酶利用释放的能量合成ATP。

当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。ATP合酶的工作机制ATP合成的结合变构机制(bindingchangemechanism)三、氧化磷酸化作用可受某些内外源因素影响（一）有3类氧化磷酸化抑制剂1、呼吸链抑制剂阻断氧化磷酸化的电子传递过程复合体Ⅰ抑制剂：鱼藤酮(rotenone)、粉蝶霉素A(piericidinA)及异戊巴比妥(amobarbital)等阻断传递电子到泛醌。复合体Ⅱ的抑制剂：萎锈灵(carboxin)。复合体Ⅲ抑制剂：抗霉素A(antimycinA)阻断Cyt

bH传递电子到泛醌(QN)

；粘噻唑菌醇则作用QP位点。复合体Ⅳ抑制剂：CN－、N3－紧密结合中氧化型Cyta3，阻断电子由Cyta到CuB-Cyta3间传递。CO与还原型Cyta3结合，阻断电子传递给O2。

NADHFMN(Fe-S)琥珀酸FAD(Fe-S)CoQCytb→Cytc→CytcCytaa3O2鱼藤酮粉蝶霉素A异戊巴比妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×各种呼吸链抑制剂的阻断位点NAD+FMN(Fe-S)

CoQbc1caa3O2鱼藤酮、阿密妥、粉蝶霉素A抗霉素ACN-、CO、N3-不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响

2、解偶联剂破坏电子传递建立的跨膜质子电化学梯度解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联相互分离，基本作用机制是破坏电子传递过程建立的跨内膜的质子电化学梯度，使电化学梯度储存的能量以热能形式释放，ATP的生成受到抑制。如：二硝基苯酚(dinitrophenol,DNP)；解偶联蛋白(uncouplingprotein，UCP1)。解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）ⅢⅠⅡF0F1ⅣCytcQ胞液侧基质侧解偶联蛋白热能H+H+ADP+PiATP3、ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)可结合F0单位，二环己基碳二亚胺(dicyclohexylcarbodiimide,DCCP)共价结合F0的c亚基谷氨酸残基，阻断质子从F0质子半通道回流，抑制ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。

寡霉素(oligomycin)寡霉素ATP合酶结构模式图可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成。Na+，K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加。（二）ADP是调节正常人体氧化磷酸化速率的主要因素。呼吸控制率(respiratorycontrolratio,RCR)（三）甲状腺激素刺激机体耗氧量和产热同时增加。（四）线粒体DNA突变可影响机体氧化磷酸化功能。电子传递链及氧化磷酸化系统概貌ΔμH+跨膜质子电化学梯度；H+m内膜基质侧H+；H+c

内膜胞液侧H+五、线粒体内膜对各种物质进行选择性转运线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白(transporter)对各种物质的转运。五、通过线粒体内膜的物质转运线粒体外膜孔蛋白，<10kDa的物质通过线粒体内膜不同的转运体,对物质有选择性转运蛋白进入线粒体出线粒体ATP-ADP转位酶ADP3-ATP4-磷酸盐转运蛋白H2PO4-+H+二羧酸转运蛋白HPO42-苹果酸α-酮戊二酸转运蛋白苹果酸α-酮戊二酸天冬氨酸-谷氨酸转运蛋白谷氨酸天冬氨酸单羧酸转运蛋白丙酮酸OH-三羧酸转运蛋白苹果酸柠檬酸碱性氨基酸转运蛋白鸟氨酸瓜氨酸肉碱转运蛋白脂酰肉碱肉碱线粒体内膜的某些转运蛋白对代谢物的转运

（一）胞浆中NADH通过穿梭机制进入线粒体氧化呼吸链胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。α-磷酸甘油穿梭(α-glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭(malate-asparateshuttle)转运机制：1、α-磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中

（1）α-磷酸甘油穿梭

1.胞浆α-磷酸甘油脱氢酶

2.线粒体α-磷酸甘油脱氢酶1.5ATP

NADH+H+FADH2NAD+FAD线粒体内膜线粒体外膜膜间隙线粒体基质α-磷酸甘油脱氢酶呼吸链磷酸二羟丙酮α-磷酸甘油2、苹果酸-天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中

五、通过线粒体内膜的物质转运（2）苹果酸穿梭系统

2.5ATPNADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链天冬氨酸（二）ATP-ADP转位酶促进ADP进入和ATP移出紧密偶联ATP4-F0F1胞液侧

基质侧

腺苷酸转运蛋白磷酸转运蛋白

ADP3-H2PO4-ATP4-H+H+H+H+H2PO4-H2PO4-ADP3-ADP3-每分子ATP4-和ADP3-反向转运时，向内膜外净转移1个负电荷，相当于多1个H+转入线粒体基质。

第二节

其他不生成ATP的氧化体系TheOthersOxidativeEnzymeSystemswithoutATPProducing过氧化物酶体中的酶类

（一）过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素2H2O22H2O+O2过氧化氢酶

1、过氧化氢酶catalase（触酶）催化反应:1分子H2O2提供电子,另1分子H2O2接受电子

辅基:4个血红素作用：分布广,可消除需氧脱氢酶催化反应产生有毒的H2O2（二）过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物

R+H2O2RO+H2ORH2+H2O2R+2H2O过氧化物酶

过氧化物酶

谷胱甘肽过氧化物酶

H2O2(ROOH)H2O(ROH+H2O)2G–SHG–S–S–GNADP+NADPH+H+*此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤

谷胱甘肽还原酶

含硒的谷胱甘肽过氧化物酶

反应氧族超氧离子(O2﹣)、H2O2、羟自由基(•OH)的统称。